Prim最小生成树算法

在一个具有几个顶点的连通图G中，如果存在子图G'包含G中所有顶点和一部分边，且不形成回路，则称G'为图G的生成树，代价最小生成树则称为最小生成树。

许多应用问题都是一个求无向连通图的最小生成树问题。例如：要在n个城市之间铺设光缆，主要目标是要使这 n 个城市的任意两个之间都可以通信，但铺设光缆的费用很高，且各个城市之间铺设光缆的费用不同；另一个目标是要使铺设光缆的总费用最低。这就需要找到带权的最小生成树。

性质

最小生成树的边数必然是顶点数减一，|E| = |V| - 1。
最小生成树不可以有循环。
最小生成树不必是唯一的。

Prim算法与Kruskal算法是寻找最小生成树的经典方法。

prim算法：

从单一顶点开始，普里姆算法按照以下步骤逐步扩大树中所含顶点的数目，直到遍及连通图的所有顶点。

输入：一个加权连通图，其中顶点集合为V，边集合为E；
初始化：V_new = {x}，其中x为集合V中的任一节点（起始点），E_new = {}；
重复下列操作，直到V_new= V：
1. 在集合E中选取权值最小的边（u, v），其中u为集合V_new中的元素，而v则不是（如果存在有多条满足前述条件即具有相同权值的边，则可任意选取其中之一）；
2. 将v加入集合V_new中，将（u, v）加入集合E_new中；
输出：使用集合V_new和E_new来描述所得到的最小生成树。

为实现这个算法需要一个辅助数组closedge，来记录V_new到V-V_new具有最小权值的边。对于每个顶点v_i∈V-V_new，在辅助数组中存在一个分量closedge[i]，表示v_i到V_new的最小代价边，closedge包括两个域， adjvex表示这条边的顶点，lowcost表示v_i到adjvex的权值。当选择新的顶点到V_new,选择新的边到E_new时，要更新closedge

无向加权图：

Graph

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#define  MAXW  1000//定义最大权值
using namespace std;
template<class T>
class Graph//无向加权图
{
public:Graph();~Graph();void Create();//生成加权图void DFSTraverse(void (*fun)(T));//深度优先遍历void BFSTraverse(void (*fun)(T));//广度优先遍历int LocateVex(T vex);int  GetVexnum(){return vexnum;}int  GetArcnum(){return arcnum;}int** GetAdjMatrix(){return adjMatrix;}T GetVex(int i){return vexs[i];}
private:vector<T> vexs;//顶点数组int** adjMatrix;//邻接矩阵int arcnum;//弧数int vexnum;//顶点数bool *visited;int FirstAdjVex(int v);//v的第一个邻接点int NextAdjVex(int v,int w);//从w开始找v的下个邻接点void DFS(int i,void (*fun)(T));
};template<class T>
Graph<T>::Graph()
{adjMatrix=NULL;arcnum=0;visited=NULL;
}template<class T>
Graph<T>::~Graph()
{for (int i=0;i<vexnum;i++){delete [] adjMatrix[i];}delete adjMatrix;adjMatrix=0;delete [] visited;
}template<class T>
void Graph<T>::Create()
{cout<<"输入顶点数，弧数（以空格隔开）：";cin>>vexnum;cin>>arcnum;adjMatrix=new int*[vexnum];for(int i=0;i<vexnum;i++)adjMatrix[i]=new int[vexnum];for (int i=0;i<vexnum;i++){for(int j=0;j<vexnum;j++)adjMatrix[i][j]=MAXW;//初始化邻接矩阵
    }visited=new bool[vexnum];cout<<"输入顶点列，以空格隔开：";for (int i=0;i<vexnum;i++){T temp;cin>>temp;vexs.push_back(temp);//输入顶点
        }cout<<"输入一条边依附的顶点及权值（A B 1）:"<<endl;for (int i=0;i<arcnum;i++){T v1,v2;int w;cin>>v1;cin>>v2;cin>>w;int x=LocateVex(v1);int y=LocateVex(v2);adjMatrix[x][y]=w;adjMatrix[y][x]=w;//设置权值
}
}template<class T>
int Graph<T>::LocateVex(T vex)
{for(int i=0;i<vexnum;i++){if (vexs[i]==vex){return i;}}return -1;
}template<class T>
int Graph<T>::FirstAdjVex(int v)
{for (int i=0;i<vexnum;i++){if(adjMatrix[v][i]!=MAXW)return i;}return -1;
}template<class T>
int Graph<T>::NextAdjVex(int v,int w)
{for (int i=w+1;i<vexnum;i++){if(adjMatrix[v][i]!=MAXW)return i;}return -1;
}template<class T>
void Graph<T>::DFS(int i,void (*fun)(T))//从第i个顶点深度优先遍历
{visited[i]=true;fun(vexs[i]);for (int w=FirstAdjVex(i);w>=0;w=NextAdjVex(i,w)){if(!visited[w]) DFS(w,fun);}}template<class T>
void Graph<T>::DFSTraverse(void (*fun)(T))
{for(int i=0;i<vexnum;i++)visited[i]=false;for (int i=0;i<vexnum;i++){if(!visited[i])DFS(i,fun);}
}template<class T>
void Graph<T>::BFSTraverse(void (*fun)(T))
{queue<int>  Q;for(int i=0;i<vexnum;i++)visited[i]=false;visited[0]=true;fun(vexs[0]);Q.push(0);//顶点入队while (!Q.empty()){//int v=Q.back();int v=Q.front();// 出队
        Q.pop();for(int w=FirstAdjVex(v);w>=0;w=NextAdjVex(v,w)){if(!visited[w]){visited[w]=true;fun(vexs[w]);Q.push(w);//访问后顶点入队
                }}}
}

prim算法：

template<class T>
void MinSpanTree_PRIM(Graph<T> &G,T u)
{//Prim算法，生成最小生成树struct cell{T adjvex;//邻接顶点int lowcost;//最小权值
    };cell* closedge=new cell[G.GetVexnum()];//辅助数组int k=G.LocateVex(u);for (int i=0;i<G.GetVexnum();i++){if(i!=k){closedge[i].adjvex=u;closedge[i].lowcost=G.GetAdjMatrix()[k][i];}}closedge[k].lowcost=0;for (int i=1;i<G.GetVexnum();i++){int w=MAXW;for(int j=0;j<G.GetVexnum();j++){if(closedge[j].lowcost<w&&closedge[j].lowcost>0){w=closedge[j].lowcost;k=j;}}//输出路径cout<<endl;cout<<"找到路径："<<closedge[k].adjvex<<"----"<<G.GetVex(k)<<"权值："<<w<<endl;closedge[k].lowcost=0;for(int j=0;j<G.GetVexnum();j++){//更新closedge[j]if (G.GetAdjMatrix()[k][j]<closedge[j].lowcost){closedge[j].adjvex=G.GetVex(k);closedge[j].lowcost=G.GetAdjMatrix()[k][j];}}}}

main：

void printfun(char ch)
{cout<<ch<<" ";
}
int main()
{Graph<char> G;G.Create();cout<<"深度优先遍历:";G.DFSTraverse(printfun);cout<<endl<<"广度优先遍历：";G.BFSTraverse(printfun);MinSpanTree_PRIM(G,G.GetVex(0));return 1;}